碳纖維加固鋼筋混凝土梁的實踐

王昌遠

摘要：本文就筆者在馬鞍山工程施工中碳纖維加固鋼筋混凝土梁的工程實踐做以介紹，以便大家在今后的加固工程中進行不斷提高。

關鍵詞：碳纖維 鋼筋混凝土梁 加固模型 參數選取 設計驗算 施工要點

鋼筋混凝土在我國各個行業的建筑工程中廣泛應用，但是，在鋼筋混凝土施工完成之后，要改變使用功能或者提高使用功能，都存在對鋼筋混凝土結構構件的受力再進行改變，同時在鋼筋混凝土構件使用多年之后，也會存在進一步對缺陷加固消缺的問題。因此，鋼筋混凝土構件加固普遍存在，在我國起步較晚，是九十年代以來的開發熱點，碳纖維片材在混凝土結構受彎構件的受彎加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和應用最多，但在這方面工作中還存在一些問題，對加固結構的力學性能系統的理論分析和數值計算研究也很有限。而這對于創立和發展這種嶄新的加固技術是必不可少的，而且以預應力鋼筋混凝土橋梁、鋼筋混凝土梁的加固為主。到目前為止，碳纖維片材加固混凝土結構的技術得到國際上普遍認同。

安徽開米馬鞍山工程中的合成車間由于使用功能改變，在主體結構施工完成后多個鋼筋混凝土梁需要進行加固，現以JL10鋼筋混凝土梁為例，進行加固計算和施工控制要點進行說明。

1 加固校核的設計計算

1.1 計算模型的建立

JL10是一根跨度為7m的鋼筋混凝土梁，梁截面高度h=500mm，寬度b=250mm，由于業主變更時改變室內原來使用功能，要求增加室內荷載，變更設計說明本次變更后梁的受力是正彎矩加大，且梁的構件計算彎矩設計值為M=216kN/m。因此，偏于安全考慮，不考慮樓層板翼緣和支座內力重分布的影響（如果是負彎矩狀態，則必須考慮并按照《混凝土結構設計規范》要求進行計算），按照矩形梁進行計算。

1.2 加固方式的選擇

由于加固可以采取增大截面加固、外粘型鋼加固、復合截面加固、繞絲加固、外加預應力加固、植筋加固等方法進行，但必須根據現場施工條件、梁的受力使用環境再選取經濟可行的方案。進行加固的鋼筋混凝土梁使用在工業廠房內，不存在放射、腐蝕性液（氣）體以及高溫（≤60℃）等不利條件的影響。但是加大梁的截面將會是使用空間減少，且對設備、管道的安裝會造成不便，繞絲、植筋也不便于施工，外加預應力支座在梁的兩端不能實施，外面型鋼和復合截面加固成為可選方案。但是外粘型鋼加固的造價較高，因此選用復合截面加固法進行加固。而且以外粘碳纖維最為便于施工，且造價最為經濟，所以這一方案就是首選。

1.3 計算參數的選擇

參照《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》（CECS146：2003）、《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2006）中（表9.1.6）碳纖維片材的性能指標和原設計選取的設計參數，計算參數選取如下：

混凝土等級：C35，fc=16.7N/mm2，ft=1.57N/mm2

受拉縱筋種類：HRB400，fy=360N/mm2。分部3根直徑22的鋼筋（單層）Es=2.0×105N/mm2

受壓縱筋種類：HRB400，fy=360N/mm2，分部2根直徑20的鋼筋（單層）

碳纖維抗拉強度設計值：ff=1600MPa

碳纖維設計拉應變εf=0.007

碳纖維彈性模量Ef=2.3×105MPa

我國采用的標準碳纖維布厚度（≤300g/m2）d=0.167mm

設計確定的混凝土梁保護層厚度為20mm，受拉縱筋為Φ22，則受拉縱筋合力點至近邊距離：as=35mm（為便于計算，單層縱筋取as=35mm，雙層縱筋取as=60mm）

受壓縱筋合力點至近邊距離：as=35mm

按照混凝土結構規范，對C35混凝土取強度系數α1=1.0（當混凝土強度等級不超過C50時，α1取為1.0，當混凝土強度等級為C80時，α1取為0.94）。

當處于非均勻受壓時，正截面的混凝土極限壓應變εcu=0.0033，碳纖維的拉應變εf=0.007。

1.4 碳纖維實際截面面積計算：

∵受拉鋼筋的截面面積As=1140mm2

受壓鋼筋的截面面積As=628mm2

且x=2as=70mm，h0=h-as=500-35=465mm，

矩形應力圖的受壓區高度x可取等于按截面應變保持平面的假定所確定的中和軸高度乘以系數β1。當混凝土強度等級不超過C50時，β1取為 0.8。

縱向受拉鋼筋屈服與受壓區混凝土破壞同時發生時的相對界限受壓區高度ξb應按下列公式計算：

ξb=β1/[1+fy/（Esεcu）]=0.8÷[1+360÷（2.0×105×0.0033）

∴ξb=0.5177 ξbh0=0.5177×465=240.73mm

由本梁屬于框架梁，屬于重要構件。

∴ 選擇ξcfb=0.75ξb

等效矩形應力圖形的混凝土受壓區高度為x

則x=ξcfbh0=0.75×0.5177×465=180.55mm<ξbh0

∴按照《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》中的4.3.2-1使用x≥ξfbh0 條件公式進行計算，代入已知參數：

即α1fcbx（h0-0.5x）+fyAs（h-as）-fyAs（h-h0）

=1×16.7×250×70（500-0.5×70）+360×628×（500-35）-360×1140（500-465）

=226659450N.mm≈226.66KN.M≥M=216KN.M

∵為便于計算，暫不考慮加固前構件在初始彎矩作用下，截面受拉邊緣混凝土的初始應變，故取εi=0

∴Ψf=[（0.8εcuh/x）-εcu-εi]/εf

=[（0.8×0.0033×500÷70）-0.0033-0]÷0.007

=2.22>1

∴取Ψf=1

∴設碳纖維的截面積為Af，把以上參數代入《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》4.3.2-2公式：

α1fcbx=fyAs+ΨfffAv-fyAs

即：1×16.7×250×70

=360×1140+1×1600×Af-360×628

292250=410400+1600Af-226080

∴Af=67.46mm2

∵Af=kmndb

km為碳纖維片材厚度折減系數，取km=0.78

n為碳纖維片材層數

即67.46=0.78×n×0.167×250

∴n=2.07 取N=3

故有效Af=km×3×0.167×250=97.695mm2

實際碳纖維片材面積為125.25mm2

強制標準要求的驗算

按照《混凝土結構加固設計規范》的設計要求加固后受彎承載力的提高幅度不得超過40%， 即ffAf/fyAs≤0.4

（1600×97.695）÷（360×1140）=0.38<0.4

∴滿足要求，按照3層碳纖維片材進行加固即可。

2 施工控制要點

2.1 原材料的控制

①本工程所使用的加固材料選擇國產300g/m2I級碳纖維布，碳纖維基本性能要求：抗拉強度≥3400MPa，彈性模量≥2.1×105MPa， 極限延伸率≥1.7%。

②碳纖維粘結劑基本性能要求：壓縮強度≥70MPa，拉伸強度≥35MPa，彎曲強度≥50MPa，拉伸剪切強度（金屬/金屬） ≥18MPa。施工單位應提供產品質保書，材料使用前必須經抽樣檢驗合格后方可使用。

2.2 現場施工質量的控制

①基層處理：對碳纖維加固部位混凝土構件表面進行處理，處理后進行仔細觀察，混凝土構件有裂縫的必須進行裂縫修補后才能進行碳纖維加固。對混凝土表面的蜂窩、凹凸不平必須用結構膠修補平整，對酥松的混凝土必須鑿除后修補平整；混凝土表面處理后應露出結構本體，無粉塵、雜物、水漬、油漬及平整?；炷帘砻嫣幚肀仨毥浌ば驒z驗、做好相應記錄，符合上述要求后才能粘貼碳纖維。粘貼的碳纖維寬度、厚度、材質必須按設計要求進行配置，并對粘貼的碳纖維粘貼面清潔處理。

②修補找平：經上述工序后粘貼面平整度應達到5mm/m2，有斷茬、轉角部位、凹凸部位應找平，抹成平滑曲面。

③膠料配制：膠料應嚴格按比例充分攪拌后配制，務必使用專業技術人員進行配制，從而保證質量。配制攪拌后的膠料應無沉淀、色差、氣泡，并應防止灰塵雜質混入膠料。

④把經處理后的混凝土表面用丙酮或二甲苯擦拭干凈。按設計要求裁剪碳纖維，不得損壞織物面，涂抹粘結膠應均勻，敷貼碳纖維應平整無氣泡。多層粘貼，可重復上述步驟，但應在表面指觸干燥后立即進行下一層粘貼，如超過60分鐘，則應等12小時后再行粘貼下一層。

參考文獻：

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